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基于下一代三向车轮双星编队改善地球重力场空间分辨率研究
郑伟,许厚泽,钟敏,
地球物理学报 , 2015, DOI: 10.6038/cjg20150307
Abstract: 由于当前GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证.第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性.第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350km、平均星间距离100km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7m·s-1、轨道位置10-3m、轨道速度10-6m·s-1、非保守力10-11m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4m、4.923×10-4m和3.488×10-4m.结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择.
基于GRACEFollow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场
郑伟,许厚泽,钟敏,
地球物理学报 , 2014, DOI: 10.6038/cjg20140506
Abstract: 由于GRACEFollow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪,因此本文基于GRACEFollow-On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究.研究结果表明:第一,基于GRACEFollow-On卫星重力梯度法(GFO-SGGM),利用卫星轨道参数(轨道高度250km、星间距离50km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001)、关键载荷测量精度(星间距离10-6m、星间速度10-7m·s-1、星间加速度10-10m·s-2、轨道位置10-3m、轨道速度10-6m·s-1、非保守力10-11m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10s反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为9.331×10-4m.第二,在120阶内,利用将来GRACEFollow-On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍,因此GRACEFollow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法.第三,下一代GRACEFollow-On计划较当前GRACE计划的优点如下:轨道高度更低(200~300km)、载荷精度更高(10-7~10-9m·s-1)和星间距离更短(50~100km).
插值公式、相关系数和采样间隔对GRACEFollow-On星间加速度精度的影响
郑伟,许厚泽,钟敏,
地球物理学报 , 2012, DOI: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.03.012
Abstract: 本文基于星间加速度法开展了插值公式、相关系数和采样间隔对GRACEFollow-On星间加速度精度影响的研究.模拟结果表明:1)适当增加数值微分公式的插值点数可有效提高插值精度.基于9点Newton插值公式,星间加速度的插值误差为4.401×10-13m·s-2,分别基于7点、5点和3点插值公式,插值误差增加了1.192倍、6.912倍和274.029倍.2)适当增大相关系数可有效降低星间加速度的误差.基于相关系数0.99,星间加速度方差为3.777×10-24m2·s-4,分别基于相关系数0.90、0.70、0.50和0.00,方差增加了9.780倍、22.404倍、26.217倍和26.820倍.3)随着采样间隔增大,星间加速度方差逐渐降低,但卫星观测值的空间分辨率也同时降低,因此合理选取采样间隔有利于地球重力场精度的提高.4)基于9点Newton插值公式、相关系数(K波段测量系统星间距离和星间速度0.85、GPS轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计非保守力0.90)和采样间隔10s,利用预处理共轭梯度迭代法,精确和快速反演了120阶GRACEFollow-On地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为4.602×10-4m.
RESEARCH ON OPTIMAL SELECTION OF ORBITAL PARAMETERS IN IMPROVED-GRACE SATELLITE GRAVITY MEASUREMENT MISSION
Improved-GRACE卫星重力轨道参数优化研究

郑伟,许厚泽,钟敏,,彭碧波,周旭华
大地测量与地球动力学 , 2010,
Abstract: 基于改进的半解析法,利用激光干涉系统星间速度误差、GPS接收机轨道位置误差和轨道速度误差以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的联合误差模型,开展了我国ImprovedGRACE卫星重力测量计划轨道参数的优化选取论证。模拟结果表明:1)在300阶处,基于350 km轨道高度估计累计大地水准面的精度为3.993×10 -1 m,基于300 km和250 km轨道高度估计精度分别提高了8.770倍和77.145倍,基于400 km和450 km轨道高度估计精度分别降低了8.718倍和75.307倍;2)基于50 km星间距离估计累计大地水准面的精度为3.993×10-1 m,基于110 km和220 km星间距离估计精度分别降低了1.259倍和1.395倍;3)我国将来首颗ImprovedGRACE重力卫星的平均轨道高度和平均星间距离设计为350 km与50 km较优。
Efficient and rapid estimation of the accuracy of future GRACE Follow-On Earth''s gravitational field using the analytic method
利用解析法有效快速估计将来GRACE Follow-On地球重力场的精度

郑伟,许厚泽,钟敏,,周旭华,彭碧波
地球物理学报 , 2010,
Abstract: The accuracy of Earth′s gravitational field from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Follow-On satellite mission is efficiently and rapidly estimated for the first time based on the analytic method. Firstly, the new single and combined analytic error models of cumulative geoid height influenced by four error sources including the intersatellite range-rate of interferometric laser ranging system, orbital position and velocity of GPS receiver and nonconservative force of accelerometer from GRACE Follow-On satellites are established using the power spectrum principle, respectively. Secondly, the dependability of analytic error model is validated according to the consistency of the matching accuracy indexes of GRACE key payloads from the single analytic error models and the GRACE Level 1B provided by the American Jet Propulsion Laboratory (JPL), and the conformity of GRACE cumulative geoid height errors from the combined analytic error model and the Earth′s gravitational field model EIGEN-GRACE02S released by the German GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Finally, the influences of different matching accuracy indexes of key payloads and orbital altitudes from GRACE Follow-On satellites on the accuracies of Earth′s gravitational field are demonstrated contrastively. At the 360 degree, cumulative geoid height error is 1.231×10-1 m using combined analytic error model based on orbital altitude 250 km, intersatellite range 50 km, intersatellite range-rate error 1×10-9 m/s, orbital position error 3×10-5 m, orbital velocity error 3×10-8 m/s and nonconservative force error 3×10-13 m/s2. This work not only can provide the theoretical foundation and calculational guarantee for the efficient and rapid determination of the accuracies of current GRACE and future GRACE Follow-On Earth′s gravitational field, but also has some reference significance to the successful execution of the future Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) lunar satellite gravity exploration mission.
卫星重力梯度反演研究进展
郑伟,许厚泽,钟敏,刘成恕,
大地测量与地球动力学 , 2014,
Abstract: ?对比空域法、时域法、直接法、解析法等卫星重力梯度反演法的优缺点,并综述国内外卫星重力梯度反演法的研究进展,对比了目前国际公布的GOCE地球重力场模型精度。结果表明,在210阶内,GO_CONS_GCF_2_DIR_R4模型精度较GO_CONS_GCF_2_SPW_R1模型精度平均提高8.883倍;在250阶内,GO_CONS_GCF_2_DIR_R4模型精度较GO_CONS_GCF_2_TIM_R1模型精度平均提高4.388倍;由于直接法不依赖于任何先验地球重力场模型,理论框架严密,因此地球重力场反演精度最高。
卫星跟踪卫星测量模式中星载加速度计高低灵敏轴分辨率指标优化设计论证
郑伟,许厚泽,钟敏,,周旭华,彭碧波
地球物理学报 , 2009, DOI: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.11.005
Abstract: 本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星载加速度计与K波段星间测速仪及GPS接收机精度指标之间的匹配模拟论证.结果表明:(1)采用GRACE公布的其他载荷精度指标,当加速度计分辨率指标设计为ACCX=(1~10)×10-9m/s2,ACCY,Z=(1~10)×10-10m/s2时,在120阶处恢复累计大地水准面的精度为19~80cm,恢复1.5°×1.5°累计重力异常的精度为0.3~1.3mGal;(2)建议我国将来卫星重力测量计划中星载加速度计三轴分辨率指标设计为ACCX=(1~5)×1010-9m/s2,ACCY,Z=(1~5)×10-10m/s2较合适,与GRACE其他载荷精度指标基本匹配.
GRACE卫星关键载荷实测数据的有效处理和地球重力场的精确解算
郑伟,许厚泽,钟敏,,周旭华,彭碧波
地球物理学报 , 2009, DOI: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.08.003
Abstract: 首先对美国喷气推进实验室(JPL)公布的2007-06-01~2007-12-31时间段内的GRACELevel1B卫星GPS轨道位置和速度、K波段系统星间速度、加速度计非保守力以及恒星敏感器姿态实测数据对应进行了轨道拼接、粗差探测、线性内插、重新标定、坐标转换、误差分析等有效处理;其次,基于改进的能量守恒法恢复了120阶GRACE地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为25.313cm;最后,检验了本文地球重力场模型IGG-GRACE的可靠性,同时分析了IGG-GRACE解算精度在低频部分略优于德国波兹坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型,而在中高频部分略低的原因.
基于半解析法有效和快速估计GRACE全球重力场的精度
郑伟,许厚泽,钟敏,,周旭华,彭碧波
地球物理学报 , 2008,
Abstract: 首先基于半解析法建立了新的GRACE卫星K波段测量系统星间测速、GPS接收机轨道位置和加速度计非保守力误差联合影响累计大地水准面的误差模型;其次,基于各关键载荷精度指标的匹配关系,论证了误差模型的可靠性;最后,基于美国喷气动力实验室(JPL)公布的2006年的GRACELevel1B实测误差数据,有效和快速地估计了120阶全球重力场的精度,在120阶处累计大地水准面的精度为18.368cm,其结果和德国地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S全球重力场模型符合较好.本文的研究为将来国际卫星重力测量计划(如GRACEFollow-On,360阶)中高阶全球重力场模型精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证.
基于残余星间速度法精确和快速反演下一代GRACEFollow-On地球重力场
郑伟,许厚泽,钟敏,刘成恕,
地球物理学报 , 2014, DOI: 10.6038/cjg20140104
Abstract: 基于新型残余星间速度法(RIRM)反演了120阶GRACEFollow-On地球重力场.第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度(测量精度10-7m·s-1)引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程.第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数.如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加.因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择.第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性.随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高.第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACEFollow-On累计大地水准面精度为1.638×10-3m和1.396×10-3m.研究结果表明:(1)残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;(2)GRACEFollow-On地球重力场精度较GRACE至少高10倍.
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